Выбор способа вакуумного водопонижения

Наиболее технически эффективный и экономически целесообразный способ выбирается на основании данных инженерно-геологических изысканий и технико-экономического сопоставления. С экономической точки зрения наиболее эффективным является тот способ, при котором необходимое понижение уровня грунтовых вод достигается за минимальные сроки и откачкой минимального количества грунтовых вод.

Вместе с тем на выбор метода водопонижения влияют такие условия, как размеры осушаемой зоны, способ производства земляных и строительных, работ, наличие в непосредст-венной близости от установок зданий и сооружений, а также заданная продолжительность водопонижения.

При всех равных геологических условиях возможные варианты водопонизительных систем определяются габаритами котлована. Так, например, при незначительных глубинах понижения (2–4 м) наиболее экономичным оказывается применение легких иглофильтровых установок, глубже 4–10 м — эжекторных иглофильтров, от 10 до 30 м — вакуумных кон-центрических скважин и т. п.

С другой стороны, в определенной степени исключают применение того или иного способа водопонижения условия производства строительных работ, так как водопонизительная система не должна мешать основным строительным работам. Поэтому в контурных системах водопонижения (ЛИУ, ЭИ, ЭВВУ) в ряде случаев должны быть предусмотрены места разрыва контура водопонизительных систем на участках заездов в котлован машин и механизмов.

Существенную роль при выборе способа водопонижения играют также сроки строительства, обусловленные графиком производства и типов работ в котловане.
При выборе способа водопонижения должны исходить из технико-экономического сравнения тех способов, которые удовлетворяют необходимым величинам понижения в проектные сроки.

Основным и общим показателем при различных способах являются суммарные затраты на единицу высоты понижения уровня грунтовых вод в центре котлована или линейной вы-работки после снижения уровня грунтовых вод до проектной отметки.

В технико-экономических показателях для сопоставления способов следует учесть данные изменения технологии строительных работ из-за применения того или иного способа водопонижения, а также местные специфические условия, наличие оборудования, возможности буровых и монтажных работ, климатические условия, возможности электро- и водоснабжения, и т. п.

Водопонижение поверхностным вакуумированием при помощи легких иглофильтровых установок осуществляют в случае, если водоносная толща по вертикали не имеет слоистого строения, т. е. нет чередования водоносных слоев грунта. При этом наиболее целесообразной областью применения легких иглофильтров является слабопроницаемые грунты при расположении дна котлована близко от водоупора или при осушении линейной выработки (траншей, коллекторов, тоннелей и т. п.).

При значительных размерах котлованов в плане и отсутствии близкого от дна водоупора иглофильтровый метод водопонижения может стать неэффективным. Поэтому при рассмотрении иглофильтрового способа водопонижения в этом случае следует исходить из коэффициента фильтрации, общего контрольного притока воды к котловану при заданном понижении и величины притока воды к каждому иглофильтру, исходя из экономически обоснованных расстояний между иглофильтрами. Следует отметить, что при любом коэффициенте фильтрации осушаемых грунтов, если величина притока к иглофильтру не превышает его производительность по откачке и уровень воды понижается до проектной отметки, иглофильтровый способ может быть приемлем.

При незначительных глубинах погружения иглофильтров, когда расстояние от оси насоса до фильтрового звена составляет не более 3–4 м, в фильтровых звеньях иглофильтров развивается вакуум величиной (2–4)* 104 Па. В этих случаях при выборе способа следует учесть также возможность образования вакуума вокруг иглофильтра в его прифильтровой зоне грунта, что способствует не только дополнительному снижению уровня грунтовых вод, но и образованию водонепроходимого ограждения по линии расположения иглофильтров. В этом случае правильная оценка величины притока к иглофильтру и шаг между ними определяют эффективность применения способа.

При рассмотрении иглофильтрового способа следует учесть и возможность увеличения величины вакуума в фильтровых звеньях иглофильтров путем интенсивной откачки из игло-фильтров также и воздуха, проникающего в фильтровое звено через его верхнюю оголенную часть из-за образования в надфильтровой трубе водовоздушной эмульсии с удельным весом меньше удельного веса воды. Тогда, в результате уменьшения высоты столба от насоса до фильтра, энергия насоса используется не для уравновешивания сплошного столба воды, а часть ее используется для развития вакуума в фильтровом звене и в грунте. Для этой цели к всасывающему коллектору подключается вакуум-насос для откачки воздуха или же с целью интенсификации откачки воздуха, вместо центробежных насосов применяют эжекторы, установленные на дневной поверхности (установки ПУВВ). Следует, однако, отметить, что откачка чрезмерно большого количества воздуха приводит к снижению эффективности водопонижения легкими иглофильтрами. В этих случаях их следует сопоставить с другими более эффективными способами, при которых откачка воздуха исключается.

Эффект водопонижения при помощи легких иглофильтровых установок можно повышать путем применения специальной конструкции концентрических иглофильтров, если понижение уровня грунтовых вод производится в слоистой толще мощностью не более 4–5 м. Концентрический иглофильтр, благодаря удлиненному вакуумному водоприемному зазору, образованному между фильтровой оболочкой и водоподъемной трубой иглофильтра, отсасывает грунтовую воду из всех пересекаемых фильтром водоносных слоев. Преимущество концентрического иглофильтра заключается еще и в том, что его конструкция дает возможность образовать водовоздушную смесь в водоподъемной трубе иглофильтра. Повышение величины вакуума в водоприемном кольцевом зазоре достигается доведением кольцевого зазора до дневной поверхности наружной надфильтровой трубой и становится возможной подача воздуха в кольцевой зазор через предусмотренное отверстие. Повышенный таким образом в кольцевом водоприемном зазоре вакуум передается грунту по всей его высоте. В случае, если кольцевой зазор полностью заполняется водой, величина вакуума растет и верхние слои грунта дренируются под повышенным вакуумом. Кроме того, конструкция концентрического иглофильтра, в отличие от обычного, позволяет контролировать величину вакуума в водоприемном зазоре и своевременно принимать соответствующие меры по корректировке его работы.

Способ глубинного вакуумирования осуществляется как при помощи эжекторных иглофильтров, так и вакуумных концентрических водоприемников, так как установка ЭВВУ укомплектована теми и другими водоприемниками.

При комплектации с эжекторными иглофильтрами целесообразной глубиной понижения грунтовых вод считают глубину 7–12 м, исходя, в основном, из возможности гидравлического погружения иглофильтров. При оборудовании вакуумными концентрическими водоприемниками глубина понижения практически не ограничивается. Однако эффективными пределами применения можно считать глубину до 30 м, что связано только с ограниченной производительностью эжекторов, пределы применения вакуумных концентрических скважин по глубине значительно расширятся.

В определенных гидрогеологических условиях, когда в пределах одного котлована мощность водоносного слоя меняется от 8–10 до 20–30 м, установку ЭВВУ можно применять в комбинированном варианте, т. е. не участке неглубокого слоя к напорно-распределительному трубопроводу подключают эжекторные иглофильтры, а на участке с более мощными водоносными слоями — вакуумные концентрические скважины.

Выбор способа глубинного водопонижения при помощи установки ЭВВУ, в первую очередь, обусловлен и целесообразен для участков залегания водоносного горизонта из слабо-проницаемых грунтов с переслаиванием водопроницаемых и водоупорных слоев.

В однородной слабопроницаемой толще грунта этот способ целесообразен в тех следующих случаях: 1) подстилающий водоупорный слой залегает на таком близком расстоянии от отметки дна котлована, что обычными скважинами требуемое понижение уровня воды в котловане не достигается; 2) сроки осушения обычным способом не удовлетворяют темпам земляных и строительных работ (хотя залегание водоупора и достаточно глубоко).

При слоистом строении осушаемой толщи грунтов, например, близком залегании от отметки дна котлована поверхности водоупора, переслаивание водоносных и водоупорных слоев в пределах осушаемой толщи, неоднородном строении этой толщи и т. п., вакуумный способ является наиболее экономически эффективным.

Если водоносные слои такой толщи достаточно изолированы друг от друга водоупорными прослойками, то ни один способ водопонижения, кроме вакуумного, не может обеспечить полного перехвата фильтрационного потока.

С технической точки зрения, конкурентноспособными с вакуумным способом могут оказаться замораживание и способ устройства сплошной противофильтрационной траншейной завесы вокруг котлована.

Что касается замораживания, то его экономическая целесообразность по сравнению с вакуумным способом для различных гидрогеологических условий достаточно, очевидна и доказана.

Способ устройства противофильтрационной траншейной завесы может быть выбран при необходимости длительной эксплуатации водопонизительной установки (более года). Однако этот способ может оказаться экономически целесообразным при определенных размерах котлована, геологических условий, сроках земляных и строительных работ в котловане, месторасположения строительной площадки и типов применения оборудования.

При выборе способа вакуумирования необходимо учесть, что производительность одной вакуумной концентрической скважины при ее вакуумном режиме работы ограничена расходом откачиваемой воды 5 м³/ч, поэтому при определении шага между скважинами необходимо исходить из максимального удельного притока воды к 1 м периметра котлована, со-ответствующего 2,5 м³/ч (при минимальном шаге между скважинами 2 м).

Максимальный шаг между скважинами можно не ограничивать при достаточно глубоком залегании водоупора от дна котлована, однако при необходимости обеспечения полного перехвата фильтрационного потока над подстилающим в непосредственной близости от дна котлована водоупором и над другими промежуточными водоупорами, не должен превышать 2,5–3,0 м.

Возможность полного перехвата наружного фильтрационного потока вакуумными скважинами позволяет расширить контуры водопонизительных скважин и обеспечить наиболее удобный фронт производства основных строительных работ.

При осушении слоистой толщи грунтов для обеспечения перехвата фильтрационных потоков шаг между скважинами следует определять, исходя из наиболее проницаемых водо-носных слоев, так как при ограждении их вакуумными зонами соседних скважин остальные менее проницаемые слои будут гарантированы от проскока через них воды.

В зависимости от глубины расположения в осушаемой толще отдельных водообильных водоносных слоев одновременно с вакуумными концентрическими скважинами в промежутке между ними можно устанавливать эжекторные иглофильтры, расположив их фильтровое звено в указанном водообильном слое. Это позволит увеличить шаг между вакуумными концентрическими скважинами и обеспечить полный перехват фильтрационного потока по всем водоносным слоям осушаемой толщи.

Глубинный способ вакуумного водопонижения скважинами большого диаметра с использованием вакуумметрической высоты всасывания артезианских и погружных насосов целесообразно применять при значительных притоках грунтовых вод к котловану, имеющему значительную глубину заложения и большие размеры в плане.

Характерными для глубинных вакуумных скважин являются в основном два режима их работы. Первый — период откачки статических запасов грунтовых вод, при котором в большинстве случаев скважина работает в обычном режиме, и вода к скважине притекает под действием силы тяжести. При этом режиме характерно образование значительного перепада уровней воды внутри и вне скважины, который складывается из участка высачивания, величины потери напора из-за местных гидравлических сопротивлений при прохождении грунтовой воды через фильтровое покрытие и высоты столба воды, поддерживаемого в скважине для работы насоса в затопленном состоянии. Перепад воды нередко достигает половины глубины скважины.

Иначе работает глубинная скважина при переходе на вакуумный (второй) режим. В этом случае в скважине имеет место отрицательное давление, полностью ликвидируется участок высачивания из-за повышения гидравлических градиентов и выпрямления линии движения фильтрационного потока, а часть энергии вакуума израсходуется на преодоление гидравлических сопротивлений через фильтровое покрытие.

Вместе с тем необходимыми условиями эффективной работы глубинных скважин в вакуумном режиме с использованием вакуумметрической высоты всасывания погружных на-сосов являются: 1) правильная оценка величины притока к скважине с целью обеспечения ее работы как в обычном, так и в вакуумном режиме; 2) правильное назначение высоты фильтровой части скважины, предотвращающий подсос воздуха в скважину при вакуумном режиме ее работы.